يتضح من مبدأ عمل مصابيح LED أن مادة الرقاقة الإبيتاكسية هي المكون الأساسي لها. في الواقع، تُحدد المادة الإبيتاكسية بشكل كبير المعلمات البصرية الإلكترونية الرئيسية، مثل الطول الموجي والسطوع والجهد الأمامي. تُعد تقنية ومعدات الرقاقة الإبيتاكسية بالغة الأهمية في عملية التصنيع، حيث تُعتبر تقنية الترسيب الكيميائي للبخار المعدني العضوي (MOCVD) الطريقة الأساسية لتكوين طبقات رقيقة أحادية البلورة من مركبات III-V وII-VI وسبائكها. فيما يلي بعض الاتجاهات المستقبلية في تقنية الرقاقة الإبيتاكسية لمصابيح LED.
1. تحسين عملية النمو المكونة من خطوتين
حاليًا، يعتمد الإنتاج التجاري على عملية نمو من خطوتين، إلا أن عدد الركائز التي يمكن تحميلها دفعةً واحدة محدود. في حين أن أنظمة الست رقائق قد وصلت إلى مرحلة النضج، إلا أن الآلات التي تستوعب حوالي 20 رقاقة لا تزال قيد التطوير. غالبًا ما تؤدي زيادة عدد الرقائق إلى عدم تجانس الطبقات الفوقية. ستركز التطورات المستقبلية على اتجاهين:
- تطوير تقنيات تسمح بتحميل المزيد من المواد في غرفة تفاعل واحدة، مما يجعلها أكثر ملاءمة للإنتاج على نطاق واسع وخفض التكاليف.
- تطوير معدات رقاقة واحدة عالية الأتمتة وقابلة للتكرار.
2. تقنية ترسيب الطور البخاري للهيدريد (HVPE)
تُمكّن هذه التقنية من النمو السريع للأغشية السميكة ذات كثافة الخلع المنخفضة، والتي يُمكن استخدامها كركائز للنمو المتجانس باستخدام طرق أخرى. إضافةً إلى ذلك، قد تُصبح أغشية GaN المنفصلة عن الركيزة بدائل لرقائق GaN أحادية البلورة السائبة. مع ذلك، فإنّ لـ HVPE عيوبًا، مثل صعوبة التحكم الدقيق في السُمك وغازات التفاعل المسببة للتآكل التي تُعيق تحسين نقاء مادة GaN.
HVPE-GaN المشبع بالسيليكون
(أ) هيكل مفاعل HVPE-GaN المضاف إليه السيليكون؛ (ب) صورة لمفاعل HVPE-GaN المضاف إليه السيليكون بسمك 800 ميكرومتر؛
(ج) توزيع تركيز الناقل الحر على طول قطر HVPE-GaN المشبع بالسيليكون
3. تقنية النمو الفوقي الانتقائي أو النمو الفوقي الجانبي
يمكن لهذه التقنية أن تُخفّض كثافة الخلع وتُحسّن جودة بلورات طبقات GaN الفوقية. تتضمن العملية ما يلي:
- ترسيب طبقة GaN على ركيزة مناسبة (الياقوت أو SiC).
- ترسيب طبقة قناع SiO₂ متعدد البلورات في الأعلى.
- استخدام تقنية التصوير الضوئي والحفر لإنشاء نوافذ GaN وشرائط قناع SiO₂.أثناء النمو اللاحق، ينمو GaN أولاً عموديًا في النوافذ ثم أفقيًا فوق شرائح SiO₂.
رقاقة GaN-on-Sapphire من XKH
4. تقنية بينديو-إبيتاكسي
تُقلل هذه الطريقة بشكل ملحوظ عيوب الشبكة الناتجة عن عدم التوافق الشبكي والحراري بين الطبقة الركيزة والطبقة الفوقية، مما يُحسّن جودة بلورة نيتريد الغاليوم. تشمل الخطوات ما يلي:
- تنمية طبقة GaN فوقية على ركيزة مناسبة (6H-SiC أو Si) باستخدام عملية من خطوتين.
- إجراء حفر انتقائي للطبقة الطلائية حتى الركيزة، مما يؤدي إلى إنشاء هياكل متناوبة للأعمدة (GaN/buffer/substrate) والخنادق.
- زيادة طبقات GaN الإضافية، والتي تمتد جانبيًا من الجدران الجانبية لأعمدة GaN الأصلية، المعلقة فوق الخنادق.نظرًا لعدم استخدام أي قناع، فإن هذا يتجنب الاتصال بين GaN ومواد القناع.
رقاقة GaN-on-Silicon من XKH
5. تطوير مواد فوق بنفسجية LED ذات طول موجي قصير
يُرسي هذا أساسًا متينًا لمصابيح LED البيضاء القائمة على الفوسفور المُثار بالأشعة فوق البنفسجية. يمكن إثارة العديد من الفوسفورات عالية الكفاءة بالأشعة فوق البنفسجية، مما يوفر كفاءة إضاءة أعلى من نظام YAG:Ce الحالي، مما يُحسّن أداء مصابيح LED البيضاء.
6. تقنية رقاقة الآبار الكمية المتعددة (MQW)
في هياكل MQW، تُضاف شوائب مختلفة أثناء نمو الطبقة الباعثة للضوء لإنشاء آبار كمية متنوعة. ينتج عن إعادة تركيب الفوتونات المنبعثة من هذه الآبار ضوء أبيض مباشرةً. تُحسّن هذه الطريقة كفاءة الإضاءة، وتُخفّض التكاليف، وتُبسّط عملية التغليف والتحكم في الدوائر، على الرغم من أنها تُشكّل تحديات تقنية أكبر.
7. تطوير تقنية "إعادة تدوير الفوتون"
في يناير 1999، طورت شركة سوميتومو اليابانية صمام ثنائي باعث للضوء (LED) أبيض باستخدام مادة ZnSe. تتضمن هذه التقنية تكوين غشاء رقيق من CdZnSe على ركيزة أحادية البلورة من ZnSe. عند كهربته، يُصدر الغشاء ضوءًا أزرق، يتفاعل مع ركيزة ZnSe لإنتاج ضوء أصفر مُكمّل، مما يُنتج ضوءًا أبيض. وبالمثل، قام مركز أبحاث الفوتونات بجامعة بوسطن بتكديس مركب شبه موصل من AlInGaP على صمام ثنائي باعث للضوء أزرق من GaN-LED لتوليد ضوء أبيض.
8. سير عملية تصنيع رقاقة LED الفوقية
① تصنيع الرقاقة الفوقية:
الركيزة ← التصميم الهيكلي ← نمو الطبقة العازلة ← نمو طبقة GaN من النوع N ← نمو طبقة انبعاث الضوء MQW ← نمو طبقة GaN من النوع P ← التلدين ← الاختبار (التألق الضوئي، الأشعة السينية) ← رقاقة فوقية
② تصنيع الرقائق:
رقاقة فوقية → تصميم القناع وتصنيعه → الطباعة الضوئية → النقش الأيوني → قطب كهربائي من النوع N (الترسيب، التلدين، النقش) → قطب كهربائي من النوع P (الترسيب، التلدين، النقش) → التقطيع → فحص الرقاقة وتصنيفها.
رقاقة GaN-on-SiC من ZMSH
وقت النشر: ٢٥ يوليو ٢٠٢٥